基于单片机大棚温湿度控制系统

湖南理工职业技术学院毕业设计（说明书）湖南理工职业技术学院毕业设计说明书（产品设计说明书☑、工艺设计说明书□、方案设计说明书□√）题目：基于单片机大棚温湿度控制系统年级专业：工业机器人学生姓名：指导教师：企业教师：2019年6月20日摘要该设计主要是针对目前传统农业温室大棚不易管理，对温室内环境参数不易控制等问题，提出了智能温室大棚的实现，在该温室平台下我们可以在远程监控下实现当前环境下的温室管理和农业作业，结合当前的云平台系统、多数据传感器融合技术、无线传感器采集技术、多线程任务处理及调度，完成我们的底层、控制层、网络层以及上层的协同处理，在底层我们可以实现当前温湿度、光照强度、CO2浓度等相应环境的精确采集，通过单片机我们把数据通过串口方式实时传输给我们的中央处理器上，采集的信息一方面可以传到云端及控制器上，另一方面通过云端可把当前数据实时上传到APP端和WEB端，数据同时可保存在云服务器和微控制器上，并实现与云端及UI的通信。我们设定好植物最适宜生长的环境阈值范围，完成闭环控制，进行环境参数的自动调节。关键词：单片机大棚温湿度控制AbstractThedesignismainlytosolvetheproblemsofthecurrenttraditionalagriculturalgreenhousesthataredifficulttomanageandtheenvironmentalparametersinthegreenhousearedifficulttocontrol.Therealizationofintelligentgreenhousesisproposed.Underthisgreenhouseplatform,wecanrealizethegreenhousemanagementandmanagementinthecurrentenvironmentunderremotemonitoring.Agriculturaloperations,combinedwiththecurrentcloudplatformsystem,multi-datasensorfusiontechnology,wirelesssensoracquisitiontechnology,multi-threadedtaskprocessingandscheduling,completethecollaborativeprocessingofourbottom,control,networkandupperlayers.AtthebottomwecanachievethecurrentAccuratecollectionoftemperatureandhumidity,lightintensity,CO2concentrationandothercorrespondingenvironments.Throughthesingle-chipmicrocomputer,wetransmitthedatatoourcentralprocessingunitthroughtheserialportinrealtime.Thecollectedinformationcanbetransmittedtothecloudandthecontrollerontheonehand,andontheotherhandThecurrentdatacanbeuploadedtotheAPPandWEBinrealtimethroughthecloud,andthedatacanbesavedonthecloudserverandmicrocontrolleratthesametime,andcommunicationwiththecloudandUIcanberealized.Wesettheoptimalenvironmentalthresholdrangeforplantgrowth,completeclosed-loopcontrol,andperformautomaticadjustmentofenvironmentalparameters.Keywords:singlechipmicrocomputergreenhousetemperatureandhumiditycontrol目录TOC\o"1-3"\h\u26060摘要 引言在我国的大多数地区，对大棚的控制大多还是集中在人工操作、人力管理的方面上。而在与此同时，一些发达国家就、已经建立好了相关智能化、网络化的农业生产体系，但成本技术费用相对智能化大棚的普及相对较高。走现代化智能农业大棚是我国目前发展智慧农业的重中之重。在当下，国家对于大棚的发展已经普及了各个区域，包括在新疆、黑龙江等偏远地区已经大规模推广，我国的现代农业大棚也已经达到了1000多家，对于大棚的发展也开始逐步走入高效高产的行列，但管理和控制等方面还是存在着各种各样的弊端，还是大多是采用人工控制的传统办法，控制尽管简单，但对农作物而言在精准管理和控制操作上还存在很多的弊端，单依靠人工经验和平时常用的农业设备已经无法满足大规模生产和精准农业指导，并且在传统模式下人工作业管理效率的低下。在过去，我国大棚对农作物的施肥、灌溉、喷淋等重体力劳动作业难度较大，在对棚内环境监测上一直是处于人工管理监测的模式，需要人力长期不定时留意观察，在棚内环境检测上主要针对温湿度、二氧化碳浓度、土壤的湿度、光照强度的重要参数上的获取，所以获取到精准的农作物环境参数对大棚的管理也是十分重要的，而对传统农业而言还是大多存在于人工监测的模式，工序复杂且效率低下，这对大面积种植的农作物而言无法到达优质生产的保障，同时随着40的发展，越来越多的人重视生产质量和效率的双重提高，大面积种植的环境下更加需要人工的高效和量产，而我国目前还是依靠人工控制多一些，加以辅助一定的机械化水平，并且在远程操纵方面，大棚的控制也很难做到实时干预和现场监控。2系统总体设计2.1系统的总框架本课题设计的智能开发平台主要综合应用了无线网络传感器、ZigBee底层网络组网搭建、智能控制stm32主控器、电路控制单位、执行器反馈回路、网络上传单元、云端平台系统和接收显示单元等相关知识。能够精确的完成对当期那环境下的光照强度、温湿度、土壤湿度、二氧化碳的采集，同时能够精确的完成对当前环境下的制导控制，底层传感器采集到的信息在各个协调器的协同下采集环境实时信息。图1系统框图2.2传输方案设计温室大棚环境的采集可采用有线传输方式和无线传输方式，针对大棚环境的复杂情况我们采用了无线网络传感通信的方式。无线传感网络技术融合了传感器数据融合技术、计算机通信技术和自组网融合技术，我们可以通过WiFi、蓝牙、ZigBee等方式进行局域网自组，通过比对各个传输方式的功耗、传输距离、信号的稳定度等方便我们最终采用了ZigBee网络无线传输方式。采用ZigBee组网方式能发现其信号采集、数据传输和处理的能力非常的强大。最初的传感器网络首先是在军方得到了应用，目前已经从军事领域普及到社会的其他各个领域。2.3硬件设计2.3.1电路的设计为了保证系统持续稳定的工作，只有提供给系统合适的电源，才能够保证系统稳定可靠的工作。本系统中包含的电源类型包含两种：+5V电源供电，即是针对一些基础芯片供电；另外一部分是+33V电源供电，这部分电源主要是针对系统中的CC2530射频单片机及其辅助电路模块。但是通用的适配器接口主要采用的是+5V电压，无法直接获取+33V电源，因此需要设计电压转换电路，本系统主要用LM7805的芯片将+9V的电源转换为+5V的供电电源。AMS1117是一款降压型芯片，其输入电压范围较广，输出电压可调，本设计的物联网大棚远程监控系统，所需的+33V的电压就是由其提供的。主控转接电路主要包含CC2530射频单片机和射频前端芯片CC2591，CC2530主要是负责外围电路的控制，包括读传感器值和运行ZigBee协议栈等。射频前端芯片CC2591主要负责无线通信距离的扩展，在CC2591内部包含有功率放大器PA，可以在很大程度上扩展通信距离。在CC2591射频前端芯片上接上SMA杆状天线对外进行数据的收发。2.3.2主控硬件设计硬件结构连接框图如图所示，图中清晰地表明基于STM32核心板的智能控制系统的硬件资源的结构分配，一方面是为之后的软件系统作为铺垫，方便阐述和分析，另一方面明确核心板硬件资源的使用情况。如下是主要接口对应外设的情况。图为USB转串口的原理图主要是为了软件的功能的调试.图2USB转串口原理图图3存储模块原理图3软件设计3.1软件架构设计软件架构的设计是整个控制系统的主要框架以及所有的代码模块的编写基础。其主要的是分为底层和应用层的编程。底层主要是节点的驱动、UCOSII操作系统、各个通信协议之间的底层驱动。应用层主要是SPI、UART、IIC、EXIT、TIME等接口的编程。根据这个框架我们可以分析和画出整个系统的软件架构的设计。节点的发送端主要是ZigBee中CC2530的星型网络通信，在终端节点主要是各个模块中传感器的信号采集，通过自适应加权融合的方式最终汇集为一个精确值，发送给协调器。其相应的程序框图如图4所示。图4节点测量数据子程序流图通过终端节点的采集，最终发送数据到协调器，刚开始通过码字地址发送应答信号检验对应地址码的正确性，当校验不正确时候丢弃该数据，同时继续接收，直到校验正确，开始接收采集信号。最终把采集到的信号通过串口发送给单片机。3.2程序结构分析根据之前的系统的需求和硬件资源的分配以及串口屏控制界面的设计和搭建，可以整理出基本的程序的架构图，如图7所示。整个软件系统的框架是根据每个功能模块去构建和实现的，采集模块主要是无线网络传感器的实时信号多点采集，控制单元主要是STM32作为主控进行的一系列信号实时处理。在上图中，通过UCOSII实时嵌入式操作系统，同时结合串口屏和单片机的通信，做好相应的任务调度和任务的优先级处理。数据发送模块主要是ESP8266作为为wifi芯片上传到PC端的，主要是串口接口进行通信传输，以达到数据传输的精准性。图5程序结构图3.3仿真移植主要是将系统的源码程序从一个平台运行到另一个平台上。为了使这种移植变得理更方便，由于实时操作系统在研究前就将移植的步骤考虑到源码中，因此，μC/OS-II的源码是C语言所写的，移植性好。由于许多的芯片在读写相关的寄存器的过程中还是只用到汇编语言，因此，许多处理器相关的源代码设计还是用汇编进行编程。软硬件框架设计如图图6所示由μC/OS-II软硬件的框架结构图可以看出，μC/OS-II软件包括以下部分：第一部分μC/OS-II核心代码，主要有个用语言编写的程序文件和个程序头文件。其中主要的相关的系统功能是任务调度，内存和任务管理，信号量，消息邮箱，消息队列等等。这一部分的代码是与处理器完全无关的。第二部分是μC/OS-II的配置代码，主要包括个程序头文件，此文件主要用于配置与裁剪μC/OS-II。这一部分的代码的要关系程序实际应用。第三部分μC/OS-II是移植代码，主要包括汇编语言编写的文件、C语言编写的程序文件和程序头文件，这些移植代码是和相关的MCU有一定的关系。图6μC/OS-II框架经过上面所述操作，我们已经把系统的底层移植成功，接下来就是应用层的实现代码。应用层主要有四个线程来保证系统的实时性，也是整个系统主要的四大模块。数据采集模块：主要是通过CC2530和单片机通信，把采集到的信息通过串口1发送给主控芯片STM32，这里是使用的STM32中的定时器的外部中断定时，以及芯片内的AD转换器进行实现的；在采集端各个环节的温湿度和光照强度最终是通过CC2530中的AD进行转化，最后在程序代码中进行函数计算输出当前环节的数字信号;以上数据采集模块线程代码的主要实现如下：AD_value[2]=ADC_GetConversionValue(ADC3); //温湿度采集AD_value[2]=(AD_value[2]/4096)*3.6;tds=AD_value[2]*5.9959+0.0748;AD_value[0]=ADC_GetConversionValue(ADC1); //光照强度采集AD_value[0]=(AD_value[0]/4096)*4.6;shuiya2=(AD_value[0]-0.5)/3.4;AD_value[1]=ADC_GetConversionValue(ADC2);AD_value[1]=(AD_value[1]/4096)*4.6;shuiya3=(AD_value[1]-0.5)/3.4;count=jinwei*65535+TIM_GetCounter(TIM2);//CO2浓度的采集flow=((float)count)/2190; //为了保证采集的精确性。串口屏模块：该模块主要有俩个主要的功能，一个是将采集到的数据进实时的监控，一个是对系统存储的数据进行一个查询，使其可以曲线显示在串口的屏幕上，其主要的代码就是一个数据指令的解析和对应屏幕ID的发送和接收，其主要的代码如下[30][31]：AnimationPlayFrame(1,15,0);//串口屏图片帧的更新switch(cmd_type){caseCMD_TOUCH_PRESS_RETURN:caseCMD_TOUCH_RELEASE_RETURN:OnRecvTouchXY(cmd_buffer[1],PTR2U16(cmd_buffer+2),PTR2U16(cmd_buffer+4));break;caseCMD_TYPE_UPDATE_CONTROL://控件更新消msg_type=msg->ctrl_msg;switch(msg_type) { //串口屏指令的类型casekCtrlMsgGetCurrentScreen:OnRecCurrentScreen(msg,size);break;//获取当前的画面值casekCtrlMsgGetData:control_type=msg->control_type;//控件的类型switch(control_type){case kCtrlMsgGetCurrentScreen:OnRecCurrentScreen(msg,size);//更新当前的画面casekCtrlButton://按钮控件处理OnRecvButton(msg,size);break;casekCtrlText: //文本控件处理OnRecvText(msg,size); break;casekCtrlProgress: //进度条控件处理OnRecvProgress(msg,size);break;casekCtrlSlider:OnRecvSlider(msg,size);break;casekCtrlMeter:OnRecvMeter(msg,size);break;casekCtrlAnimation:OnRecvAnimation(msg,size);break;default:break;}break;}4结束语本文就智能的控制系统的研发过程进行了详细的讲述。首先实现硬件的相关设计到软件系统，都已经实现了整个系统的功能。并且测试系统也满足稳定性和可靠性。从提高智能的智能化，便捷化，高精度的控制等性能出发，对当前的智能进行优化。这个是整个产品的原型功能设计，要整个投如生产中还存在许多的不足，需要基本一步的改进。本文设计的基于云平台的智能大棚系统，虽然实现了对多种传感器数据的采集、对多个执行器的控制，但相较于国外的智能农业远程监控系统还存在一定的差距，在控制算法上还有待进一步的提高，在今后的设计中会对其作进一步的研究和优化。致谢走在毕业的后期我有太多的话要跟老师和同学们说，但是欲言又止。所以我把这些话写在了我的毕业论文谢辞里。我要感谢我的指导老师，从开学到现在，基本上每次遇到困难的时候都是我的指导老师出场的，每次这样的时候玩的内心总是充满了感激，但是我从来都不